JP7372316B2 - 内視鏡用架橋体、内視鏡、及び内視鏡用架橋体を形成するための組成物 - Google Patents
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Description
例えば特許文献1には、内視鏡に用いることができる医療用チューブが記載されている。このチューブは外表面及び内表面のいずれかが直径30nm以上200nm以下のカーボンナノチューブを高分子材料中に分散させてなる医療用複合材料で形成され、生体に対して低摩擦性で、また、カーボンナノチューブが離脱しても生体内に蓄積ないし残留しにくいことが記載されている。
例えば、内視鏡可撓管は、体内に挿入して曲げ、回転等をさせながら繰り返し使用される。このため、内視鏡可撓管を構成するチューブ等の高分子材料には、曲率の大きい曲げに付すことのできる柔軟性とともに元の直線状に戻ろうとする適度の反発力を併せ持つこと、また、繰り返し曲げに付されても破断しにくい特性を有することが求められる。
また内視鏡可撓管は、使用の度に薬品を用いて繰り返し消毒される。特に気管支等の感染可能性の高い部位に挿入する場合には、消毒を越える滅菌レベルの清浄性が求められる。したがって、内視鏡可撓管を構成するチューブ等の高分子材料には、使用の度に付される過酸化水素プラズマ等による滅菌処理にも耐える高度な耐久性が求められる。
<1>
含フッ素エラストマーと、単層カーボンナノチューブを含む繊維状炭素ナノ構造体とを含有する内視鏡用架橋体であって、
上記架橋体中の上記繊維状炭素ナノ構造体の含有量が、上記含フッ素エラストマーの含有量100質量部に対し0.1質量部以上2.0質量部未満であり、JIS K 6253-3:2012に準拠して測定される、23℃におけるデュロメータタイプA硬度が75A以下である、内視鏡用架橋体。
<2>
吸着等温線から得られる、上記繊維状炭素ナノ構造体のt-プロットが上に凸な形状を示す、<1>に記載の内視鏡用架橋体。
<3>
上記t-プロットの屈曲点が、0.2nm≦t≦1.5nmの範囲にある、<2>に記載の内視鏡用架橋体。
<4>
上記t-プロットから得られる、上記繊維状炭素ナノ構造体の全比表面積S1及び内部比表面積S2が、0.05≦S2/S1≦0.30を満たす、<2>又は<3>に記載の内視鏡用架橋体。
<5>
上記繊維状炭素ナノ構造体の平均直径が2nm以上10nm以下である、<1>~<4>のいずれか1つに記載の内視鏡用架橋体。
<6>
上記架橋体中の上記繊維状炭素ナノ構造体の含有量が、上記含フッ素エラストマーの含有量100質量部に対し0.1質量部以上1.6質量部未満である、<1>~<5>のいずれか1つに記載の内視鏡用架橋体。
<7>
上記架橋体がカーボンブラックを含有し、上記架橋体中の上記カーボンブラックの含有量が、上記含フッ素エラストマーの含有量100質量部に対し5質量部以上15質量部以下である、<1>~<6>のいずれか1つに記載の内視鏡用架橋体。
<8>
<1>~<7>のいずれか1つに記載の内視鏡用架橋体を用いた内視鏡。
<9>
含フッ素エラストマーと、単層カーボンナノチューブを含む繊維状炭素ナノ構造体と、有機過酸化物とを含有してなる、<1>~<7>のいずれか1つに記載の内視鏡用架橋体を形成するための組成物。
本発明の内視鏡は、上記内視鏡用架橋体を有し、十分な柔軟性を有し、引裂強度にも優れ、また、曲げ動作を繰り返しても破断しにくく、さらに滅菌耐久性にも優れる。
本発明の内視鏡用架橋体を形成するための組成物は、内視鏡用架橋体の形成に好適である。
本発明の内視鏡用架橋体は、含フッ素エラストマーと、繊維状炭素ナノ構造体とを含有し、含フッ素エラストマーの少なくとも一部に架橋構造が導入された架橋体である。
本発明の内視鏡用架橋体中、上記繊維状炭素ナノ構造体の含有量は、上記含フッ素エラストマーの含有量100質量部に対し0.1質量部以上2.0質量部未満であり、JIS K 6253-3:2012に準拠して測定される上記架橋体の23℃におけるデュロメータタイプA硬度が75A以下である。なお、「含フッ素エラストマーの含有量」は、未架橋の含フッ素エラストマーが存在する場合、未架橋の含フッ素エラストマーの含有量と架橋構造を形成している含フッ素エラストマーの含有量との合計である。
本発明の内視鏡用架橋体に用いられる含フッ素エラストマーは、特に限定されることなく、内視鏡の構成部材として一般的に用いられるものを広く用いることができる。具体的には、含フッ素エラストマーとしては、例えば、フッ化ビニリデン系ゴム(FKM)、四フッ化エチレンプロピレン系ゴム(FEPM)、四フッ化エチレン-パーフルオロメチルビニルエーテル系ゴム(FFKM)、テトラフルオロエチレン系ゴム(TFE)などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
上述した中でも、含フッ素エラストマーとしては、フッ化ビニリデン系ゴム(FKM)、四フッ化エチレン-プロピレン系ゴム(FEPM)が好ましく、四フッ化エチレン-プロピレン系ゴム(FEPM)がより好ましい。
繊維状炭素ナノ構造体としては、例えば、カーボンナノチューブ(CNT)等の円筒形状の炭素ナノ構造体や、炭素の六員環ネットワークが扁平筒状に形成されてなる炭素ナノ構造体等の非円筒形状の炭素ナノ構造体が挙げられる。本発明の内視鏡用架橋体では、単層CNTを含む繊維状炭素ナノ構造体を使用する。
一方、本発明の内視鏡用架橋体中の繊維状炭素ナノ構造体の含有量は、含フッ素エラストマー100質量部に対し2質量部未満であり、1.8質量部未満であることが好ましく、1.6質量部未満であることが更に好ましく、1.5質量部以下であることが特に好ましい。上記含有量の上限値を2質量部未満にすることで、本発明の内視鏡用架橋体に十分な柔軟性を付与することができる。
本発明の内視鏡用架橋体の柔軟性と引裂強度とを向上させる観点、及び、本発明の内視鏡用架橋体を曲げ動作を繰り返してもより破断しにくくする観点からは、繊維状炭素ナノ構造体100本中の単層CNTの本数は、50本以上であることが好ましく、70本以上であることがより好ましく、90本以上であることが更に好ましい。
なお、単層CNTを含む繊維状炭素ナノ構造体は、CNTの開口処理が施されておらず、t-プロットが上に凸な形状を示すことがより好ましい。
(1)全表面への窒素分子の単分子吸着層形成過程
(2)多分子吸着層形成とそれに伴う細孔内での毛管凝縮充填過程
(3)細孔が窒素によって満たされた見かけ上の非多孔性表面への多分子吸着層形成過程
上記「屈曲点の位置」とは、t-プロットにおける、前述した(1)の過程の近似直線Aと、前述した(3)の過程の近似直線Bとの交点である。
単層CNTを含む繊維状炭素ナノ構造体のアスペクト比(長さ/直径)は、10を超えることが好ましい。繊維状炭素ナノ構造体のアスペクト比は、透過型電子顕微鏡を用いて無作為に選択した繊維状炭素ナノ構造体100本の直径及び長さを測定し、直径と長さとの比(長さ/直径)の平均値を算出することにより求めることができる。
本発明において、「BET比表面積」とは、BET法を用いて測定した窒素吸着比表面積を指す。
本発明の内視鏡用架橋体は、少なくとも引裂強度及び滅菌耐久性をより向上させるため、カーボンブラックを含有することが好ましい。本発明の内視鏡用架橋体中、カーボンブラックの含有量は、含フッ素エラストマーの含有量100質量部に対し1質量部以上25質量部以下であることが好ましく、3質量部以上20質量部以下であることがより好ましく、5質量部以上15質量部以下であることがより好ましい。
本発明の内視鏡用架橋体は、本発明の効果を損なわない範囲内で添加剤等の成分を含有してもよい。このような成分としては、特に限定されることはなく、例えば、補強材、滑剤、老化防止剤及びカップリング剤等の添加剤が挙げられる。また、本発明の内視鏡用架橋体を調製する際に用いることができる、架橋剤、架橋助剤及び共架橋剤等由来の化合物を含有してもよい。
・ハイドロパーオキサイド:p-メンタンハイドロパーオキサイド、ジイソプロピルベンゼンハイドロパーオキサイド、1,1,3,3-テトラメチルブチルハイドロパーオキサイド、クメンハイドロパーオキサイドおよびt-ブチルハイドロパーオキサイド等
本発明の内視鏡用架橋体は、この架橋体を有する内視鏡の柔軟性観点から、JIS K 6253-3:2012に準拠して測定される上記架橋体の23℃におけるデュロメータタイプA硬度が75A以下であり、40A~75Aが好ましく、50A~75Aがより好ましく、60A~75Aがさらに好ましい。
デュロメータタイプA硬度は、例えば、内視鏡用架橋体が含有する成分の成分種及び含有量並びに含フッ素エラストマーの架橋密度により特定の範囲の値にすることができる。
本発明の内視鏡用架橋体を用いた内視鏡型医療機器の好ましい実施形態について、電子内視鏡(内視鏡)を例に説明する。電子内視鏡は、内視鏡可撓管が組み込まれ、この可撓管を体内に挿入して体内を観察等する医療機器として用いられる。図1に示した例において、電子内視鏡1は、体内に挿入される挿入部2と、挿入部2の基端部分に連設された本体操作部4と、プロセッサ装置や光源装置に接続されるユニバーサルコード5とを備えている。また、本体操作部4には送気送水用ボタン3が配置されている。挿入部2は、本体操作部4に連設される可撓管2aと、そこに連設されるアングル部2bと、その先端に連設され、体内撮影用の撮像装置(図示せず)が内蔵された先端部2cとから構成される。挿入部2の大半の長さを占める可撓管2aは、そのほぼ全長にわたって可撓性を有し、特に体腔等の内部に挿入される部位はより可撓性に富む構造となっている。
本発明の内視鏡用架橋体を形成するための組成物は、含フッ素エラストマーと、単層カーボンナノチューブを含む繊維状炭素ナノ構造体と、有機過酸化物とを含有してなり、本発明の内視鏡用架橋体の形成に好適に用いることができる。本発明の内視鏡用架橋体を形成するための組成物は、上述の、補強材、滑剤、老化防止剤、カップリング剤、架橋助剤及び共架橋剤を含有してもよい。本発明の内視鏡用架橋体を形成するための組成物が含有する成分の含有量は、本発明の内視鏡用架橋体が含有する成分の含有量になるように適宜調整することができる。
本発明の内視鏡用架橋体及び本発明の内視鏡用架橋体を形成するための組成物の各調製方法は特に制限されないが、本発明の内視鏡用架橋体は、本発明の内視鏡用架橋体を形成するための組成物を架橋反応させることにより形成することが好ましい。以下、本発明の内視鏡用架橋体を形成するための組成物の好ましい調製方法、本発明の内視鏡用架橋体の好ましい調製方法の順に記載する。
本発明の内視鏡用架橋体を形成するための組成物は、例えば、含フッ素エラストマーと、単層カーボンナノチューブを含む繊維状炭素ナノ構造体と、有機過酸化物と、必要に応じて上記「その他の成分」として記載した任意成分とを、所望の配合比で混合又は混練することにより調製することができる。
具体的には、本発明の内視鏡用架橋体を形成するための組成物は、含フッ素エラストマーと、単層カーボンナノチューブを含む繊維状炭素ナノ構造体との混合物を得た後、得られた混合物と、有機過酸化物と、任意成分とを20~100℃で混練することにより、調製することができる。
こうして得られる組成物は、低温(例えば-20℃)で保存することにより架橋反応を事実上生じず、安定に保存することが可能となる。
本発明の内視鏡用架橋体は、上述した内視鏡用架橋体を形成するための組成物を所望の形状に成形して得ることができる。具体的には、本発明の内視鏡用架橋体は、例えば、上述した内視鏡用架橋体を形成するための組成物を金型に投入し、架橋させて形成することができる。
以下のようにして、実施例及び比較例で使用する繊維状炭素ナノ構造体(B-1)を調製した。
国際公開第2006/011655号の記載に従い、スーパーグロース法により繊維状炭素ナノ構造体(B-1)としてのカーボンナノチューブ(SGCNT)を調製した。なお、SGCNTの調製時には、基材表面への触媒層の形成をウェットプロセスにより行い、アセチレンを主成分とする原料ガスを用いた。
得られたSGCNTは、主として単層CNTからなり、ラマン分光光度計での測定において、単層CNTに特徴的な100~300cm-1の低波数領域にラジアルブリージングモード(RBM)のスペクトルが観察された。また、BET比表面積計(日本ベル社製「BELSORP-max」(商品名))を用いて測定したSGCNTのBET比表面積は1050m2/g(未開口)であった。更に、透過型電子顕微鏡を用いて無作為に選択した100本のSGCNTの直径及び長さを測定し、SGCNTの平均直径(Av)、直径の標準偏差(σ)及び平均長さを求めたところ、平均直径(Av)は3.3nmであり、標準偏差(σ)に3を乗じた値(3σ)は1.9nmであり、それらの比(3σ/Av)は0.58であり、平均長さは500μmであった。更に、日本ベル社製の「BELSORP-mini」(商品名)を用いてSGCNTのt-プロットを測定したところ、t-プロットは、上に凸な形状で屈曲していた。そして、S2/S1は0.09であり、屈曲点の位置tは0.6nmであった。
[実施例1の内視鏡用架橋体を形成するための組成物の調製]
以下のようにして、下記表1-1に記載の実施例1の内視鏡用架橋体を形成するための組成物を調製した。
[混合物の調製]
有機溶媒としてのメチルエチルケトン4000gに含フッ素エラストマー(A-1)200gを加え、室温で12時間撹拌して含フッ素エラストマーを溶解させた。得られた含フッ素エラストマー溶液に対し、繊維状炭素ナノ構造体(B-1)を0.2g加え、撹拌機(プライミクス社製、ラボ・リューション(登録商標))を用いて室温で15分間撹拌した。更に、湿式ジェットミル(吉田機械興業社製、L-ES007(商品名))を用いて、含フッ素エラストマー(A-1)と繊維状炭素ナノ構造体(B-1)とを含む溶液を100MPaで分散処理した。得られた分散処理液を16kgの水(20℃)へ滴下し、凝固させて黒色固体を得た。この黒色固体を80℃で12時間減圧乾燥し、含フッ素エラストマー(A-1)と繊維状炭素ナノ構造体(B-1)との混合物を得た。
[混練]
15℃のオープンロールを用いて、上記混合物200.2gと、カーボンブラック(D-1)20.0g、架橋助剤として(E-2)6.0g、共架橋剤として(E-1)6.0gと、有機過酸化物(C-1)2.0gとを混練し、実施例1の内視鏡用架橋体を形成するための組成物を得た。
実施例1の内視鏡用架橋体を形成するための組成物の調製において、実施例1の内視鏡用架橋体を形成するための組成物の組成に変えて下記表1-1~1-3に記載の組成を採用したこと以外は、実施例1の内視鏡用架橋体を形成するための組成物と同様にして実施例2~16及び比較例1~6の内視鏡用架橋体を形成するための組成物を調製した。
内視鏡用架橋体を形成するための組成物を金型に投入し、温度170℃、圧力10MPaで20分間架橋させて、シート(縦:150mm、横:150mm、厚さ:2mm)を得た。次いで、得られたシートをギヤー式オーブンに移して230℃で2時間二次架橋させることによりシート状サンプル(内視鏡用架橋体)を形成した。
下記各試験を行った。試験ないし測定結果を表1に示す。
JIS K 6253-3:2012に準拠して温度23℃におけるデュロメータタイプA硬度を測定した。この測定には、シート状サンプルをダンベル状3号形で打ち抜いたものを3枚重ねた厚さ6mmの試験片を用いた。
JIS K 6252:2015に準拠して23℃における引裂強度(N/mm)を測定した。この測定に用いた試験片は、シート状サンプルを切込みなしアングル形で打ち抜いて得た。測定結果を下記評価基準にあてはめ評価した。A~Cが本試験の合格である。
-評価基準-
A:45N/mm以上
B:35N/mm以上、45N/mm未満
C:25N/mm以上、35N/mm未満
D:25N/mm未満
JIS K 6260:2017に準拠して試験を行った。
内視鏡用架橋体を形成するための組成物を温度170℃、圧力10MPaで20分間架橋させて試験片(長さ140~155mm、幅25mm、厚さ6.3mm)を作製した。この試験片の中央の幅方向に平行に、2.0mmの切り込みを入れた。この切り込みは試験片を貫通している。
上記切れ込みを入れた試験片を、デマチャ式屈曲試験機(上島製作所社製FT-1503型)を用いて、チャック間(つかみ具の間隔)65mm、ストローク20mm、25℃にて繰り返し屈曲させ、上記切り込み(亀裂)を1000回毎に観察し、亀裂が試験片幅方向の両端部まで達したときの回数を下記評価基準にあてはめ評価した。
A~Cが本試験の合格である。
-評価基準-
A:50,000回以上
B:20,000回以上、50,000回未満
C:5,000回以上、20,000回未満
D:5,000回未満
シート状サンプルをダンベル状3号形で打ち抜き試験片を得た。この試験片に対して、下記(1)及び(2)をこの順に100回繰り返した。
(1)上記<屈曲耐久性試験>と同様にして試験片を100回屈曲させた。
(2)ステラッド(登録商標)NX(商品名、ジョンソンアンドジョンソン社製)、アドバンスコースを用いて、上記100回屈曲させた試験片を室温で過酸化水素プラズマ滅菌処理に付した。
上記(1)及び(2)に付す前の試験片(I)と、上記(1)及び(2)をこの順に100回繰り返した試験片(II)に対して、オートグラフAGS-X(商品名、島津製作所製)用いて、引張速度を20mm/min、つかみ具間距離を20mmとして、引張試験を行った。
試験片(I)に対する試験片(II)の破断強度の割合[{[試験片(II)の破断強度(MPa)]/[試験片(I)の破断強度(MPa)]}×100〕を破断強度の維持率として、下記評価基準にあてはめ滅菌処理耐久性を評価した。A~Cが本試験の合格である。
-評価基準-
A:破断強度の維持率が95%以上
B:破断強度の維持率が90%以上95%未満
C:破断強度の維持率が85%以上90%未満
D:破断強度の維持率が85%未満
実施例4の内視鏡用架橋体を形成するための組成物を用いて(1)~(3)の試験を行った。以下、図1を参照して記載する。
(1)アングルゴム適性試験
内視鏡用架橋体を形成するための組成物を170℃で圧縮成形して、長さ150mm、内径12mm、肉厚0.5mmのチューブを作製した。このチューブを外径12.8mmの内視鏡のアングル部(図1の2b)に装着させた。挿入部2bが元の状態から上向き(図1の矢印の向き)になるように操作して元の状態に戻した。この操作を5000回繰り返した。同様の操作を、下に5000回、左に5000回、右に5000回行った。その後、チューブを内視鏡から取り外し、目視で観察したところチューブに損傷は無かった。
(2)折れ止めゴム適性試験
内視鏡用架橋体を形成するための組成物を170℃で圧縮成形して、長さ85mm、先端径:8mm、後端径:30mmのチューブを作製した。このチューブは、内径が先端から後端にかけて大きくなる(傾斜している)。このチューブを挿入部3と本体操作部5とを覆うように、内視鏡の細長い管状部材の外周(図1の破線で挟まれた箇所、挿入部2側の外径12.8mm、本体操作部4側の外径:35mm)に装着させた。挿入部2が元の状態から上向き(図1の矢印の向き)になるように操作して元の状態に戻した。この操作を2000回繰り返した。同様の操作を、下に2000回、左に2000回、右に2000回行った。その後、チューブを内視鏡から取り外し、目視で観察したところチューブに損傷は無かった。
(3)Oリング適性試験
内視鏡用架橋体を形成するための組成物を170℃で圧縮成形して、内径3mm、線径2mmのOリングを作製した。このOリングを送気送水用ボタン3(外径20mm)に装着させ、取り外した。この着脱を2000回繰り返し行い、目視で観察したところOリングに損傷は無かった。
[含フッ素エラストマー(A)]
(A-1)バイトンGBL-200S(ケマーズ社製、商品名)
(A-2)アフラス100S(AGC社製、商品名)
(A-3)ダイニオンSFM-40L(スリーエム社製、商品名)
(P-1)非フッ素系ポリエステルエラストマー、ペルプレンS-2001(東洋紡社製)(上記表1-3中、P-1は、対比のため含フッ素エラストマー(A)の行に記載している。)
(B-1)上記調製した繊維状炭素ナノ構造体(B-1)
(B-2)単層カーボンナノチューブ(NanoIntegris社製、商品名「Hipco Purified」)
平均直径(Av):1.1nm
標準偏差(σ)に3を乗じた値(3σ):0.2nm、3σ/Av:0.18
平均長さ:500nm
(C-1)2,5-ジメチル-2,5-ジ(t-ブチルペルオキシ)ヘキサン(日油社製、商品名「パーヘキサ25B-40」)
(C-2)1,3-ビス(t-ブチルペルオキシイソプロピル)ベンゼン(GEO Specialty Chemicals Inc製、商品名「Vul Cup 40KE」)
(D-1)Cancarb Limited社製「サーマックス(登録商標)N990」)
(E-1)トリアリルイソシアヌレート(日本化成社製、商品名「TAIC(登録商標)」)
(E-2)亜鉛華(井上石灰工業社製、商品名「META-Z L40」)
(E-3)ステアリン酸ナトリウム(大日化学工業社製)
2 挿入部
2a 可撓管
2b アングル部
2c 先端部
3 送気送水用ボタン
4 本体操作部
5 ユニバーサルコード
Claims (5)
- 含フッ素エラストマーと、単層カーボンナノチューブを含む繊維状炭素ナノ構造体と、有機過酸化物と、カーボンブラックと、共架橋剤とを含有してなる組成物に、該有機過酸化物を架橋剤として架橋構造を導入してなる内視鏡用架橋体であって、
前記組成物中の前記有機過酸化物の含有量が、前記含フッ素エラストマーの含有量100質量部に対し0.4質量部を越え2.0質量部未満であり、前記組成物中の前記共架橋剤の含有量が、前記含フッ素エラストマーの含有量100質量部に対し3.0~5.0質量部であり、
前記架橋体中の前記繊維状炭素ナノ構造体の含有量が、前記含フッ素エラストマーの含有量100質量部に対し1.0質量部以上1.5質量部未満であり、前記架橋体中の前記カーボンブラックの含有量が、前記含フッ素エラストマーの含有量100質量部に対し3質量部以上10質量部以下であり、前記架橋体が、JIS K 6253-3:2012に準拠して測定される、23℃におけるデュロメータタイプA硬度が60A~75Aであり、
前記含フッ素エラストマーが、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとテトラフルオロエチレンと加硫サイトモノマーとからなる四元共重合体、及びテトラフルオロエチレンとプロピレンとからなる二元共重合体から選ばれ、
前記繊維状炭素ナノ構造体が、平均直径2nm以上10nm以下であり、平均直径(Av)に対する、直径の標準偏差(σ)に3を乗じた値(3σ)の比(3σ/Av)が0.25超0.60未満であり、吸着等温線から得られる、前記繊維状炭素ナノ構造体のt-プロットが上に凸な形状を示し、前記t-プロットの屈曲点が、0.2nm≦t≦1.5nmの範囲にあり、前記t-プロットから得られる、前記繊維状炭素ナノ構造体の全比表面積S1及び内部比表面積S2が、0.05≦S2/S1≦0.30を満たす、内視鏡用架橋体。 - 前記架橋体中の前記カーボンブラックの含有量が、前記含フッ素エラストマーの含有量100質量部に対し5質量部以上10質量部以下である、請求項1に記載の内視鏡用架橋体。
- 前記繊維状炭素ナノ構造体が、平均直径(Av)に対する、直径の標準偏差(σ)に3を乗じた値(3σ)の比(3σ/Av)が0.40超0.60未満である、請求項1又は2に記載の内視鏡用架橋体。
- 請求項1~3のいずれか1項に記載の内視鏡用架橋体を用いた内視鏡。
- 含フッ素エラストマーと、単層カーボンナノチューブを含む繊維状炭素ナノ構造体と、有機過酸化物と、カーボンブラックと、共架橋剤とを含有してなる、請求項1~3のいずれか1項に記載の内視鏡用架橋体を形成するための組成物。
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